天繪一號(hào)衛(wèi)星及其應(yīng)用

● 文|中國(guó)天繪衛(wèi)星中心 王蓉 李勝利 鄧偉

天繪一號(hào)衛(wèi)星及其應(yīng)用

● 文|中國(guó)天繪衛(wèi)星中心 王蓉 李勝利 鄧偉

天繪一號(hào)衛(wèi)星屬于地形地貌測(cè)繪類光學(xué)基礎(chǔ)測(cè)繪衛(wèi)星，天繪一號(hào)01星是我國(guó)第一顆傳輸型立體測(cè)繪衛(wèi)星，于2010年8月24日發(fā)射，02星于2012年5月6日發(fā)射，目前，雙星組網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定。天繪一號(hào)03星計(jì)劃在2015年擇機(jī)發(fā)射。未來，天繪一號(hào)將始終保持至少有2顆星同時(shí)在軌運(yùn)行，并且隨著行業(yè)技術(shù)的發(fā)展，不斷提高影像質(zhì)量和產(chǎn)品精度，滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)對(duì)地理影像數(shù)據(jù)的需要。

一、天繪一號(hào)衛(wèi)星

天繪一號(hào)衛(wèi)星工程由衛(wèi)星、運(yùn)載火箭、發(fā)射場(chǎng)、測(cè)控、地面應(yīng)用五大系統(tǒng)組成。衛(wèi)星由航天東方紅衛(wèi)星有限公司研制；運(yùn)載火箭由航天科技集團(tuán)公司八院研制；地面應(yīng)用系統(tǒng)研制總體為中國(guó)電子科技集團(tuán)第54研究所。天繪一號(hào)01、02兩星均采用CZ-2D運(yùn)載火箭發(fā)射入軌。衛(wèi)星軌道為近圓形太陽同步回歸軌道，標(biāo)稱軌道高度500km，攝影幅寬不小于60km，標(biāo)稱降交點(diǎn)地方時(shí)為13∶30。天繪一號(hào)01、02星主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 天繪一號(hào)衛(wèi)星主要技術(shù)參數(shù)

中國(guó)天繪衛(wèi)星中心是天繪系列衛(wèi)星及地面應(yīng)用系統(tǒng)的使用總體，負(fù)責(zé)天繪系列衛(wèi)星及地面應(yīng)用系統(tǒng)的運(yùn)行控制、數(shù)據(jù)接收處理和應(yīng)用服務(wù)。

天繪一號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)由位于西北、華南、華北的數(shù)據(jù)接收站接收，用戶可根據(jù)需求提出編程攝影服務(wù)；中心對(duì)衛(wèi)星每日下傳數(shù)據(jù)進(jìn)行技術(shù)處理，生產(chǎn)初、中、高級(jí)3個(gè)級(jí)別各類產(chǎn)品，以滿足測(cè)繪和遙感用戶的不同需求；同時(shí)為優(yōu)化數(shù)據(jù)服務(wù)，已建成了基于互聯(lián)網(wǎng)的天繪衛(wèi)星影像服務(wù)系統(tǒng)，用戶可以通過http∶//www.thcoc.com網(wǎng)站在線查詢天繪衛(wèi)星數(shù)據(jù)覆蓋及質(zhì)量情況。

二、天繪一號(hào)衛(wèi)星特點(diǎn)

天繪一號(hào)衛(wèi)星具有有效載荷種類多、無控定位精度高、數(shù)據(jù)多類成套、數(shù)據(jù)獲取速度快4個(gè)特點(diǎn)。

1.有效載荷多

天繪一號(hào)衛(wèi)星基于CAST2000小衛(wèi)星平臺(tái)研制，衛(wèi)星整星1019kg,其有效載荷包括相機(jī)系統(tǒng)、定姿定軌系統(tǒng)及數(shù)傳系統(tǒng)三大部分。搭載的我國(guó)自主創(chuàng)新的5m分辨率線面陣結(jié)合CCD相機(jī)、10m分辨率多光譜相機(jī)和2m分辨率全色相機(jī)是衛(wèi)星的一大亮點(diǎn)。

衛(wèi)星相機(jī)系統(tǒng)由測(cè)繪相機(jī)分系統(tǒng)和高分辨率相機(jī)分系統(tǒng)組成。測(cè)繪相機(jī)分系統(tǒng)包括三線陣LMCCD立體測(cè)繪相機(jī)和四波段多光譜相機(jī)。立體測(cè)繪相機(jī)由前、正、后視相機(jī)組成，其連續(xù)推掃的影像可以構(gòu)建5m分辨率立體測(cè)繪模型；其中正視相機(jī)焦面上還裝有4個(gè)小面陣CCD，用于提高無地面控制點(diǎn)條件下的測(cè)繪定位精度。2m分辨率全色相機(jī)構(gòu)成高分辨率相機(jī)分系統(tǒng)。衛(wèi)星同時(shí)搭載2臺(tái)單頻GPS接收機(jī)。

天繪一號(hào)衛(wèi)星是目前國(guó)內(nèi)光學(xué)有效載荷圖像傳感器搭載最多、設(shè)計(jì)最復(fù)雜、功能密度最高的小衛(wèi)星，有效載荷比高達(dá)42%。

2．無控定位精度高

天繪一號(hào)衛(wèi)星是我國(guó)目前無地面控制點(diǎn)條件下幾何定位精度最高的測(cè)繪衛(wèi)星，以線面陣混合三線陣CCD相機(jī)等效框幅光束法平差理論（EFP）為基礎(chǔ)，采用線陣－面陣混合配置，以三線陣、三視角攝影為主，輔以小面陣成像，加強(qiáng)了線陣影像的連接條件，對(duì)LMCCD影像進(jìn)行EFP光束法平差，解決了三線陣測(cè)繪相機(jī)動(dòng)態(tài)攝影測(cè)量中的航線立體模型扭曲、高程精度問題（圖1），實(shí)現(xiàn)了在現(xiàn)有的星敏感器等技術(shù)條件下，無地面控制條件的目標(biāo)絕對(duì)定位精度50m的指標(biāo)要求。

>>>圖1 LMCCD相機(jī)成像原理

2011—2012年上半年，根據(jù)天繪一號(hào)衛(wèi)星獲取數(shù)據(jù)情況，在國(guó)內(nèi)東北、華北、西北、華南等地，采用實(shí)地測(cè)量的方式建立了7個(gè)天繪一號(hào)衛(wèi)星精度檢測(cè)試驗(yàn)場(chǎng)。共實(shí)測(cè)了114個(gè)控制點(diǎn)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，影像絕對(duì)定位精度（中誤差）優(yōu)于15m。檢測(cè)結(jié)果如表2所示。

表2 天繪一號(hào)01星精度檢測(cè)

為實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，天繪一號(hào)衛(wèi)星在以下3個(gè)方面開展了工作。

1）三線陣相機(jī)設(shè)計(jì)。為了保證攝影測(cè)量系統(tǒng)幾何關(guān)系嚴(yán)密穩(wěn)定，采用專門設(shè)計(jì)的高強(qiáng)度和高穩(wěn)定性測(cè)繪基座集成三線陣、星敏感器。相機(jī)畸變?cè)O(shè)計(jì)指標(biāo)≤3/10000，實(shí)際檢測(cè)達(dá)到5/100000。

2）在軌幾何檢測(cè)。建立了600kmX100km的幾何定標(biāo)場(chǎng)，對(duì)三線陣相機(jī)的攝影測(cè)量參數(shù)進(jìn)行長(zhǎng)期在軌檢測(cè)，形成參數(shù)使用策略，明確參數(shù)使用時(shí)間節(jié)點(diǎn)，保證了天繪一號(hào)衛(wèi)星無控定位精度，保障了測(cè)繪產(chǎn)品的精確性和可靠性。

3）輻射特性檢測(cè)。每年在新疆靶標(biāo)場(chǎng)，出動(dòng)人力150余人，動(dòng)用車輛60余臺(tái)次，鋪設(shè)地面靶標(biāo)25萬平方米，開展輻射特性檢測(cè)，提供絕對(duì)輻射定標(biāo)參數(shù)和MTF參數(shù)（圖2）。

>>>圖2 天繪一號(hào)輻射特性檢測(cè)靶標(biāo)（上為地面攝影影像，下為衛(wèi)星影像）

3．?dāng)?shù)據(jù)多類成套

天繪一號(hào)衛(wèi)星一次攝影，可同時(shí)獲取同一地區(qū)三類影像成果：5m分辨率三線陣前視、正視、后視影像，2m分辨率全色影像，10m分辨率多光譜影像以及精密定軌數(shù)據(jù)和精密定姿數(shù)據(jù)。既能滿足測(cè)制1∶5萬比例尺地形圖、影像地圖、數(shù)字高程圖和1∶2.5萬比例尺地形圖修測(cè)的需求，又能通過2m高分影像以及10m藍(lán)、綠、紅、近紅外4譜段多光譜影像，對(duì)地物目標(biāo)進(jìn)行詳細(xì)、快速、準(zhǔn)確判讀。

4．?dāng)?shù)據(jù)獲取速度快

天繪一號(hào)衛(wèi)星可以快速獲取全球地理空間信息。衛(wèi)星回歸周期58天，在一個(gè)回歸周期內(nèi)，可對(duì)地球南北緯80°以內(nèi)任何地區(qū)攝影，相鄰軌道影像的旁向重疊率不小于10%。雙星組網(wǎng)后重訪間隔：1～9天。天繪一號(hào)02星增加了側(cè)擺功能，側(cè)擺角度為 ±10°，提高了及時(shí)獲取所需地區(qū)影像的能力。單顆衛(wèi)星每次過頂最長(zhǎng)可連續(xù)拍攝達(dá)5000km，一次攝影可以同時(shí)獲取30萬平方千米的3類影像數(shù)據(jù)，即單星每天可以獲取150萬平方千米的影像數(shù)據(jù)，雙星每天可以獲取300萬平方千米的影像數(shù)據(jù)。自衛(wèi)星發(fā)射入軌以來，已接收、存檔海量數(shù)據(jù)，截至2014年4月底，天繪一號(hào)衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)全球有效攝影覆蓋達(dá)9878.7萬平方千米，占地球陸地面積的66.1%；全國(guó)有效攝影覆蓋達(dá)952.5萬平方千米，占中國(guó)國(guó)土陸地面積的99.2%。

三、應(yīng)用情況

天繪一號(hào)衛(wèi)星在軌運(yùn)行3年多來，中國(guó)天繪衛(wèi)星中心科學(xué)管控衛(wèi)星，提升了影像獲取能力；探索運(yùn)行規(guī)律，提高了數(shù)據(jù)處理能力；拓展服務(wù)領(lǐng)域，增強(qiáng)了管理分發(fā)能力，已基本形成和具備了規(guī)?；a(chǎn)和服務(wù)能力。天繪一號(hào)衛(wèi)星準(zhǔn)確、豐富、可靠、動(dòng)態(tài)的地理信息源，已為國(guó)土資源部、國(guó)家林業(yè)局、交通運(yùn)輸部規(guī)劃研究院、水利部長(zhǎng)江水利委員會(huì)等200余家單位提供了數(shù)據(jù)產(chǎn)品和服務(wù)，數(shù)據(jù)廣泛應(yīng)用于國(guó)土資源調(diào)查、環(huán)境監(jiān)測(cè)、城市規(guī)劃、制圖、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、海洋、土地利用、水利地質(zhì)勘探等多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，在服務(wù)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮著越來越重要的作用。

天繪一號(hào)03星的研制將主要考慮提高影像質(zhì)量和定位精度兩個(gè)方面，具體體現(xiàn)在更換雙頻GPS接收機(jī)，更換穩(wěn)定度和精度更高的星敏感器，降低數(shù)據(jù)壓縮倍率等。系列用途的衛(wèi)星陸續(xù)立項(xiàng)研制，以滿足地形圖測(cè)繪與更新以及各行業(yè)部門對(duì)衛(wèi)星遙感影像的需求。相信不久的將來，隨著全天候、全天時(shí)、全要素、多分辨率天基對(duì)地探測(cè)網(wǎng)絡(luò)的逐步建成，天繪衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)將在科學(xué)研究、國(guó)土資源調(diào)查、地圖測(cè)繪等諸多領(lǐng)域，為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)作出更大貢獻(xiàn)。